JPS6312767B2 - - Google Patents
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- Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)
Description
本発明は新規なポリエチレン延伸成形体に関す
る。
イギリス特許出願第10746/73号には、成形品、
特にヤング率(デツド・ロード・クリープ)が3
×1010N/m2以上の高密度ポリエチレンのフイラ
メント、フイルム、フアイバーについて記載があ
り、それによると重量平均分子量(w)が
200000以下、数平均分子量(n)が20000以下
でnが104以上のときw/nが8以下、
nが104以下のときw/nが20以下のポリマ
ーをその融点附近の温度から毎分1〜15℃の割合
で冷却し、次いでその冷却ポリマーを延伸するこ
とによつて高モジユラスのポリエチレン成形品が
得られている。
本発明者らは、結晶性ポリマーを所定の分子鎖
が1より多い(すなわち二つもしくはそれ以上)
結晶ラメラに導入される可能性を実質的に減少せ
しめるような条件下で熱処理に付し、該ポリマー
を分子がほぼ完全な直線状となるような速度と温
度で延伸することによりヤング率が3×1010N/
m2より大きい高モジユラスの高分子物質が得られ
る事実を見出した。
すなわち、本発明は(1)200000<w〓300000
(w:重量平均分子量)の高密度ポリエチレン、
(2)重量平均分子量(w)<200000および数平均
分子量(n)〓20000の高密度ポリエチレン、
および(3)重量平均分子量(w)<200000、数平
均分子量(n)<20000およびn〓104のとき、
Mw/n>8であり、n<104のときw/
Mn>20である高密度ポリエチレンから成る群か
ら選ばれた、0.1%の歪みを10秒間かけて室温で
測定したときのヤング率が3×1010N/m2より大
きい高モジユラス配向高密度ポリエチレン延伸成
形体に関する。
本明細書において、結晶性ポリマーとは、その
溶融物を冷却したとき結晶または半結晶構造を形
成し得るポリマーを云う。高密度ポリエチレンと
は本明細書ではエチレンを少くとも95重量パーセ
ント含有し、密度0.91〜1.0g/cm3を有する実質
的に線状のエチレンホモポリマーまたはコポリマ
ーと定義する。なお密度は、ブリテイツシユ・ス
タンダード・スペシフイケーシヨンNo.3412(1966)
のアペンデイツクスAにもとづいて調製し、同ア
ペンデイツクスB(1)にもとづいて焼き鈍しをした
試料、例えば遷移金属の存在下でエチレンを重合
させることにより得られる試料をプリテイツシ
ユ・スタンダード・スペシフイケーシヨンNo.2782
(1970)のメソツド509Bによつて測定したもので
ある。
結晶性ポリマーは、延伸後の成形品が強度や破
断伸度において好ましい物理的性質を保持し得る
よう適当に高い重量平均分子量を有すべきであ
る。しかしながら長鎖部分の濃度が高いと延伸前
の所定の分子鎖が一より多い結晶ラメラに導入さ
れる機会が増加する。以後、本明細書ではこのよ
うな分子鎖をラメラ間分子鎖と記載する。
本発明は特別な理論によつて限定されるもので
はないが、過剰のラメラ間分子鎖は永久的な形態
上のもつれの増加により分子配向度と延伸によつ
て得られる直線化を減少せしめ、結果として最適
の物理的性質が得られるのを妨げるものと考えら
れる。
ポリマーの好ましい重量平均分子量(w)は
50000から250000、更に好ましくは50000から
150000であり、数平均分子量(n)は5000から
25000、更に好ましくは5000から15000である。通
常、細長化工程において分子レベルでの変形がよ
り均一となるようにするため、nに対するw
の比率が大きくなるのを避けるのが有利である。
好ましいnに対するwの比率は30以下であ
る。特に、比較的狭い分子量分布、例えばnが
1004以上のときw/nが10以下(好ましくは
8以下、最も好ましくは6以下)であり、nが
104以下のときw/nが25以下(最も好まし
くは15以下)のポリマーを用いると良い結果が得
られる。本明細書中に引用された分子量はゲルパ
ーミエイシヨンクロマトグラフイーで測定したも
のである。
熱処理は、例えば中間の分子量を有する分子の
実質的部分が結晶化して不連続な非常に規則性の
ある折りたたみ鎖ラメラを生じさせ、一方少量の
非常に大きな分子量および非常に小さい分子量の
分子は分離し、稀には結晶領域を相互に連結する
点において、分子量分別を行うことによつて一つ
以上のラメラに過剰の分子鎖が導入される可能性
を減少させる効果を有している。
この効果はたとえば次の三方法によつて得るこ
とができる。
(1) ポリマーをその融点またはそれ以上の温度か
ら望ましい結晶構造が得られる雰囲気温度まで
所定の速度で冷却する方法。この場合、冷却速
度はポリマーの分子量特性に依存する。一般に
は毎分40℃以下、好ましくは毎分20℃以下の速
度でポリマーを冷却する必要がある。最も好ま
しい冷却速度は毎分10℃以下である。
(2) ポリマーをその融点またはそれ以上の温度か
らその結晶温度以下に所定の速度で冷却し、更
に雰囲気温度まで急冷する方法。冷却速度は好
ましくは毎分1〜15℃、最も好ましくは毎分2
〜10℃である。好ましくは結晶温度より5〜20
℃以下に達したときポリマーを急冷する。急冷
は好ましくは毎分100000℃以下の速度ですべき
である。
(3) ポリマーをその融点またはそれ以上の温度か
らその結晶化温度附近まで急冷し、結晶化を生
じさせるに十分な時間その温度に該ポリマーを
保持する方法。好ましくはポリマーを結晶化温
度の15℃以内の温度に0.5から10分間保持する。
次いで好ましくは該ポリマーを雰囲気温度まで
急冷する。
方法(1),(2)および(3)により製造された試料の光
学顕微鏡写真は、それぞれ所定の分子量特性を有
するポリマーが種々の大きさの均一な配向領域を
ポリマー全体にわたつて含有するマクロ構造を形
成していることを示している。高密度ポリエチレ
ンでは、これらの領域は15μにまで達することが
できる。
方法(1),(2)および(3)で使用される条件はポリマ
ーの分子量特性にもとづいて選定される。しかし
ながら一般にポリマーが特に狭い分子量分布を有
している場合には極端にゆるやかな冷却を行つた
のでは(毎分1℃以下)細長化に好適な結晶構造
は生成しない。方法(1)および(2)において毎分40℃
以上の非常に速い冷却をすること、および方法(3)
において結晶化温度で必要以上に長く保持するこ
ともまた有害であることがわかつている。
第1a図、第1b図および第1c図はそれぞれ
高密度ポリエチレンの場合に本発明の方法(1),(2)
および(3)によつて製造された結晶構造を表わして
いる。
所定の分子鎖が一つ以上の結晶ラメラに導入さ
れる可能性を実質的に減少させる結晶構造を形成
させる別の方法として、ポリマーをその融点また
はそれ以上の温度からその結晶温度よりも十分低
い温度に急冷し、比較的低い結晶化度を得る方法
がある。この方法、すなわち方法(4)は球晶の大き
さを著るしく減少させると共に大きな無定形領域
で囲まれた結晶含有構造を生成させ、これによつ
てラメラ間分子鎖の数を減少させるものである。
好ましくは冷却速度は毎分1000℃以上、最も好ま
しくは、結晶化温度範囲を通して毎分5000℃以上
であり、ポリマーは雰囲気温度またはそれ以下に
冷却される。
ポリマーの分子量特性によつては冷却ポリマー
を再加熱して細長化前に結晶領域の大きさを増大
させるのが有利な場合もある。
方法(4)で製造された試料の光学顕微鏡写真は従
来の如く紐状に連なつた球晶構造をとつているこ
とを明瞭に示しているが、球晶が小さい点ではつ
きりと区別することができる。第1d図は高密度
ポリエチレンの場合において本発明の方法(4)によ
り生成した結晶構造を示している。
異つた熱処理方法で形成された構造は所定の条
件下で必ずしも同じようには変形しない。それぞ
れの構造に対し至適の細長化方法があろう。未延
伸物質中に明らかな分子配向がある場合には、細
長化は好ましくない制限を受ける可能性がある。
ポリマーの結晶化については広く研究され、
1964年マクグロウ−ヒル社刊エル・マンデルカー
ン著クリスタリゼイシヨン・オブ・ポリマー(第
8章 クリスタリゼイシヨン・カイネテイツク
ス・アンド・メカニズム)の如き書籍にも解説が
ある。密度や比容積の如き性質の変化を観察する
ことによつて、結晶化が段階的に起ることが理解
される。結晶化が観察されるまでは時間的おくれ
があるが、それが観察されるや否や自然に殆んど
自触媒的に加速されながら進行する。終局的に
は、結晶化が偽似平衡の状態に達し、その後長時
間にわたり非常にゆるやかに少量ではあるが識別
できる量の結晶化が進行する。この結晶化工程は
連続的なもので、時間に対する結晶化の割合をプ
ロツトすると、S字状になるが、それには突然の
変化や認識し得る不連続性は存在しない。
急速な結晶化は初期結晶化と呼称され、ゆるや
かな結晶段階は二次結晶化と呼ぶ。二次結晶化は
高いモジユラスを得るには不利であると信じられ
ており、また或る種のポリマーでは多少の二次結
晶化が起つても細長化に際しなお好ましい性質を
与えることができる一方、最も高いモジユラスは
二次結晶化が主体となる工程を経ないときに得ら
れることが見出されている。少くとも方法(1),(2)
および(3)に対しては、通常急速な初期結晶化が実
質的に完成するまで結晶化を進行させることが有
質的に完成するままで結晶化を進行させることが
有利であることがわかつている。結晶化の進行程
度は、ポリマーの密度を測定することにより追跡
できる。
方法(1),(2)および(3)において、所定の熱処理と
所定のポリマーに対し達成し得る最大の細長化
(得られる最大のモジユラス)はポリマー密度が
最適に達するまでは、密度の増大に伴つて増加す
る。しかし最適密度以上にポリマー密度が増加す
ると得られる最大細長化は減少するであろう。同
一条件で異つた密度の試料を細長化することによ
り、所定の細長化条件に対する最適ポリマー密度
を決定することが可能である。
熱処理後、変形率が少くとも15、好ましくは少
くとも20となるような温度および割合でポリマー
を延伸する。高いモジユラスを得るために必要な
高度の細長化は、分子レベルにおいて結晶ラメラ
中の分子の非折りたたみ度に対応するポリマーの
均一な伸張およびその結果の配向によつて達成さ
れるものと信じられる。
特に好ましい細長化方法は、引張力がポリマー
の抗張力以下であり、しかもフロー延伸によつて
生ずるであろう伸張以上の変形をプラスチツクに
惹起させることによつて分子の直線化を生じさせ
るに十分な速度と温度で高い延伸比にポリマーを
延伸させるものである。好ましくは延伸比は少く
とも20である。
最適延伸条件は、或る程度までポリマーの性質
とその熱的前歴に依存する。一般にポリマーは比
較的ゆつくりと延伸するのが好ましく、例えば比
較的可動性のある留め金の間を毎分1cm以上、通
常毎分10〜20cm程度、ポリマーの融点より少くと
も40℃低い温度で延伸するか、又は延伸フレーム
上で融点より5〜20℃低い温度で毎分30〜150cm
の速度で延伸する。
高分子物質の物理的性質は段階を増加し、各段
階の間でポリマーを休止させ、断続的に延伸する
ことにより更に改良される場合もある。
比較的小さい断面を有するポリマーを延伸工程
にかけるのが好ましく、本発明は特にフアイバー
やフイルムの生産に適している。特に連続的なフ
イラメントは溶融紡糸するか延伸フレーム上で延
伸することによつて製造される。便宜上、延伸前
のフアイバー径またはフイルム厚さ1mm以下が好
ましい。
本明細書において、変形比または延伸比は処理
前の長さに対する処理後の長さの比または延伸前
の断面積に対する延伸後の断面積の比として定義
する。
本発明方法は例えば下記に定義のヤング率が3
×1010N/m2以上、場合によつては少くとも6×
1010N/m2のポリエチレンポリマーを製造するこ
とができる。高分子物質のヤング率は、多分に測
定方法に依存するので、本明細書では、ヤング率
をデツド−ローデイングクリープ試験により0.1
%の歪み(strdin)を10秒間かけた場合の21℃に
おける測定モジユラスと定義する。この試験法は
グプタおよびワード:ジヤーナル・オブ・マクロ
モレキユラー・サイエンス・アンド・フイジツク
ス,B1,373(1967)に記載されている。
本発明方法によれば、プラスチツク変形によつ
て実質上完全に直線状に配列したポリマー分子が
得られることがわかる。この分子配向は多くの場
合一軸性であるが、適当な延伸を施すことによ
り、二軸性配向ポリマーを得ることもできる。実
質上完全な配向は、X線回析分折法や核磁気共鳴
分析法等の物理的測定法で測定できる。
本発明方法によれば、5×1010N/m2以上のヤ
ング率を有するポリエチレン物質が得られる。
ポリエチレンの理論ヤング率は24×1010N/m2
であり、本発明のポリマーがこの値に非常に接近
していることが理解できる。
本発明にもとづく高分子物質は一体的構造で製
造される。以下実施例によつて本発明を説明す
る。
実施例 1
高密度ポリエチレン(後述)を190℃で直径0.1
cmのダイを通し溶融紡糸して、直径0.06〜0.07cm
のアイソトロピツクフイラメントを得る。該フイ
ラメントを2.3rpmで回転している直径5.5cmのシ
リンダ上に巻き取る。ポリマーの冷却速度を毎分
5℃に設定し、ポリマー温度が115℃に達したと
きに生ずる構造を急冷によつて維持する。長さ3
〜4cmの試料をインストロン引張試験機を用いて
72℃で30〜45秒間クロスヘツド速度毎分20cmの条
件下に延伸する。該延伸率はフイラメント断面の
変化をもとに決定する。
試料として市販のビー・ピー(BP)高密度ポ
リエチレンから選んだ二種類のポリマーを使用す
る。一つは075−60グレード、温度190℃および荷
重2.14Kgで測定したときのメルトフローインデツ
クス8.0、n:14450、w:69100である。他
は、リジデツクス9(Rigidex9)で、メルトフロ
ーインデツクス0.9,n:6060,w:126600
である。10秒ヤング率を室温(21℃)で測定す
る。075−60グレートは、狭い分子量分布すなわ
ちw/n=4.8であつて、延伸比:20、ヤン
グ率4.0×1010N/m2の延伸成績体が得られる。一
方、リジデツクス9は幅広い分子量分布すなわち
Mw/n=20.9と高いw値を有しており、そ
の結果からに低いヤング率を有する延伸成績体が
得られる。上記の素材の連続フイラメントは延伸
フレーム上で延伸されることにより同様の結果を
与える。
実施例 2
高密度ポリエチレンペレツトを二枚の銅板の間
で160℃において圧縮成形することにより0.05〜
0.07cm厚のシートを得る。このシートをプレスか
らとりはずし、毎分7〜9℃の割合でゆつくり
100℃まで冷却し(銅板の表面で測定)、次いで冷
水中に入れて急冷する。長さ2cm、幅0.5cmの長
方形試料をインストロン引張試験機を用いて、75
℃においてクロスヘツド速度毎分10cmで70〜90秒
間延伸する。延伸比は延伸前の試料の表面に0.2
又は0.1cmの間隔で印をつけそれによつて測定す
る。
試料として市販のビー・ピー(BP)高密度ポ
リエチレンから選んだ2種類のグレードのものを
用いる。リジデツクス50はメルトフローインデツ
クス5.5、n:6180,w:101450であり、140
−60グレードはメルトフローインデツクス12、
n:13350、w:67800である。リジデツクス50
についての最大延伸比は30、140−60グレードに
ついての最大延伸比は37〜38と測定される。
代表的な試料について室温での10秒ヤング率を
測定し、その結果を次の表に示す。
The present invention relates to a novel polyethylene stretch molded article. British Patent Application No. 10746/73 describes molded articles,
In particular, Young's modulus (dead load creep) is 3.
×10 There is a description of high-density polyethylene filaments, films, and fibers of 10 N/m 2 or more, and the weight average molecular weight (w) is
200000 or less, number average molecular weight (n) is 20000 or less, and when n is 104 or more, w/n is 8 or less,
When n is 104 or less, a polymer with w/n of 20 or less is cooled from a temperature near its melting point at a rate of 1 to 15°C per minute, and then the cooled polymer is stretched to form high modulus polyethylene. Goods are being obtained. We define crystalline polymers as having more than one (i.e., two or more) molecular chains of a given molecular chain.
The Young's modulus is reduced to 3 by subjecting the polymer to heat treatment under conditions that substantially reduce the possibility of its incorporation into crystalline lamellae, and by stretching the polymer at a speed and temperature such that the molecules become almost perfectly linear. ×10 10 N/
We have discovered the fact that a polymer material with a high modulus larger than m 2 can be obtained. That is, the present invention (1)200000<w〓300000
(w: weight average molecular weight) high density polyethylene,
(2) high-density polyethylene with weight average molecular weight (w) < 200,000 and number average molecular weight (n) = 20,000;
and (3) when weight average molecular weight (w) < 200000, number average molecular weight (n) < 20000 and n = 10 4 ,
When Mw/n>8 and n<10 4 , w/
High modulus oriented high-density polyethylene having a Young's modulus greater than 3×10 10 N/m 2 when measured at room temperature under a strain of 0.1% for 10 seconds, selected from the group consisting of high-density polyethylene with Mn > 20. This invention relates to a stretched molded product. As used herein, a crystalline polymer refers to a polymer that can form a crystalline or semi-crystalline structure when its melt is cooled. High density polyethylene is defined herein as a substantially linear ethylene homopolymer or copolymer containing at least 95 weight percent ethylene and having a density of 0.91 to 1.0 g/cm 3 . The density is based on British Standard Specification No. 3412 (1966).
Samples prepared according to Appendix A and annealed according to Appendix B (1) of the same, for example, samples obtained by polymerizing ethylene in the presence of transition metals, are used in Pretension Standard Specification No. 2782
(1970) using method 509B. The crystalline polymer should have a suitably high weight average molecular weight so that the shaped article after stretching retains favorable physical properties in terms of strength and elongation at break. However, a high concentration of long chain moieties increases the chance that a given molecular chain will be introduced into more than one crystal lamella before stretching. Hereinafter, in this specification, such a molecular chain will be referred to as an interlamellar molecular chain. Although the present invention is not limited by any particular theory, it is believed that excess interlamellar molecular chains reduce the degree of molecular orientation and linearization obtained by stretching due to increased permanent morphological entanglement; It is thought that this prevents optimal physical properties from being obtained as a result. The preferred weight average molecular weight (w) of the polymer is
50,000 to 250,000, more preferably from 50,000
150000, and the number average molecular weight (n) is from 5000
25,000, more preferably 5,000 to 15,000. Normally, in order to make the deformation at the molecular level more uniform during the elongation process, w with respect to n is
It is advantageous to avoid increasing the ratio of
The preferred ratio of w to n is 30 or less. In particular, a relatively narrow molecular weight distribution, e.g.
100 When 4 or more, w/n is 10 or less (preferably 8 or less, most preferably 6 or less), and n is
Good results can be obtained by using a polymer with w/n of 25 or less (most preferably 15 or less) when the ratio is 10 4 or less. Molecular weights quoted herein are determined by gel permeation chromatography. Heat treatment can, for example, cause a substantial portion of molecules with intermediate molecular weights to crystallize into discontinuous, highly ordered folded chain lamellae, while small amounts of very large and very small molecular weight molecules are separated. However, in rare cases where crystalline regions are interconnected, molecular weight fractionation has the effect of reducing the possibility of introducing excess molecular chains into one or more lamellae. This effect can be obtained, for example, by the following three methods. (1) A method of cooling a polymer at a predetermined rate from a temperature at or above its melting point to an ambient temperature at which a desired crystal structure is obtained. In this case, the cooling rate depends on the molecular weight characteristics of the polymer. It is generally necessary to cool the polymer at a rate of less than 40°C per minute, preferably less than 20°C per minute. The most preferred cooling rate is 10°C per minute or less. (2) A method in which a polymer is cooled from its melting point or higher to a temperature below its crystallization temperature at a predetermined rate, and then rapidly cooled to ambient temperature. The cooling rate is preferably 1-15°C per minute, most preferably 2°C per minute.
~10℃. Preferably 5 to 20 degrees higher than the crystallization temperature
The polymer is quenched when the temperature below 0°C is reached. Quenching should preferably be at a rate of no more than 100,000°C per minute. (3) A method of rapidly cooling a polymer from a temperature at or above its melting point to near its crystallization temperature and holding the polymer at that temperature for a sufficient period of time to cause crystallization. Preferably the polymer is held at a temperature within 15°C of the crystallization temperature for 0.5 to 10 minutes.
The polymer is then preferably rapidly cooled to ambient temperature. Optical micrographs of samples prepared by methods (1), (2), and (3), respectively, show that polymers with predetermined molecular weight characteristics contain uniformly oriented regions of various sizes throughout the polymer. This shows that a structure is formed. In high density polyethylene these areas can reach up to 15μ. The conditions used in methods (1), (2) and (3) are selected based on the molecular weight characteristics of the polymer. However, in general, if the polymer has a particularly narrow molecular weight distribution, extremely slow cooling (at less than 1° C. per minute) will not produce a crystalline structure suitable for elongation. 40°C per minute in methods (1) and (2)
Making very fast cooling and methods of more than (3)
It has also been found that holding at the crystallization temperature for longer than necessary is also detrimental. Figures 1a, 1b and 1c show the methods (1) and (2) of the present invention in the case of high-density polyethylene, respectively.
and (3). As an alternative method of forming a crystalline structure that substantially reduces the possibility that a given molecular chain will be incorporated into one or more crystalline lamellae, the polymer can be heated from a temperature at or above its melting point to a temperature well below its crystallization temperature. There is a method of rapidly cooling to a temperature to obtain a relatively low degree of crystallinity. This method, namely method (4), significantly reduces the size of the spherulites and produces a crystal-containing structure surrounded by large amorphous regions, thereby reducing the number of interlamellar molecular chains. It is.
Preferably the cooling rate is greater than or equal to 1000°C per minute, most preferably greater than or equal to 5000°C per minute throughout the crystallization temperature range, and the polymer is cooled to ambient temperature or below. Depending on the molecular weight characteristics of the polymer, it may be advantageous to reheat the cooled polymer to increase the size of the crystalline regions prior to attenuation. The optical micrograph of the sample produced by method (4) clearly shows that it has a spherulite structure connected in a string like the conventional method, but it can be distinguished from Tsuritsu in that the spherulites are small. be able to. Figure 1d shows the crystal structure produced by method (4) of the invention in the case of high density polyethylene. Structures formed with different heat treatment methods do not necessarily deform in the same way under a given condition. There will be an optimal elongation method for each structure. If there is an apparent molecular orientation in the unstretched material, elongation may be undesirably limited. Polymer crystallization has been extensively studied;
Explanations can also be found in books such as Crystallization of Polymers (Chapter 8: Crystallization Kinetics and Mechanisms) by Elle Mandelkahn, published by McGraw-Hill in 1964. By observing changes in properties such as density and specific volume, it is understood that crystallization occurs in stages. There is a time lag until crystallization is observed, but as soon as it is observed, it proceeds naturally and almost autocatalytically accelerated. Eventually, the crystallization reaches a state of pseudo-equilibrium, after which crystallization proceeds very gradually over a long period of time in small but appreciable amounts. This crystallization process is continuous, and the rate of crystallization versus time is plotted in an S-shape, with no abrupt changes or discernible discontinuities. The rapid crystallization is called primary crystallization, and the slow crystallization stage is called secondary crystallization. It is believed that secondary crystallization is disadvantageous in obtaining high modulus, and while for some polymers some secondary crystallization can still provide favorable properties upon elongation; It has been found that the highest modulus is obtained when the process is not dominated by secondary crystallization. At least methods (1) and (2)
For (3) and (3), it is usually found to be advantageous to allow the crystallization to proceed until the rapid initial crystallization is substantially complete. There used to be. The progress of crystallization can be tracked by measuring the density of the polymer. In methods (1), (2) and (3), the maximum elongation achievable (maximum modulus obtained) for a given heat treatment and given polymer is determined by increasing the density until the polymer density reaches an optimum. increases with However, as the polymer density increases above the optimum density, the maximum elongation obtained will decrease. By attenuating samples of different densities under the same conditions, it is possible to determine the optimal polymer density for a given attenuation condition. After heat treatment, the polymer is stretched at a temperature and at a rate such that the deformation is at least 15, preferably at least 20. It is believed that the high degree of elongation necessary to obtain high modulus is achieved by uniform stretching and consequent orientation of the polymer, which corresponds at the molecular level to the degree of unfolding of the molecules in the crystalline lamellae. A particularly preferred attenuation method is one in which the tensile force is less than or equal to the tensile strength of the polymer, but sufficient to cause linearization of the molecules by inducing a deformation in the plastic that exceeds the elongation that would occur by flow stretching. The polymer is drawn at high draw ratios at high speeds and temperatures. Preferably the draw ratio is at least 20. Optimal stretching conditions depend to some extent on the nature of the polymer and its thermal history. In general, it is preferable to stretch the polymer relatively slowly, for example, between relatively movable clasps at a rate of 1 cm per minute or more, usually about 10 to 20 cm per minute, at a temperature of at least 40°C below the melting point of the polymer. Stretch or 30-150cm/min at a temperature of 5-20℃ below the melting point on a stretching frame
Stretch at a speed of The physical properties of the polymeric material may be further improved by stepwise stretching, with pauses in the polymer between each step, and intermittent stretching. Preferably, polymers with relatively small cross-sections are subjected to a drawing process, and the invention is particularly suitable for the production of fibers and films. In particular, continuous filaments are produced by melt spinning or by drawing on drawing frames. For convenience, the fiber diameter or film thickness before stretching is preferably 1 mm or less. As used herein, the deformation ratio or stretching ratio is defined as the ratio of the length after treatment to the length before treatment or the ratio of the cross-sectional area after stretching to the cross-sectional area before stretching. In the method of the present invention, for example, the Young's modulus defined below is 3.
×10 10 N/m 2 or more, in some cases at least 6×
10 10 N/m 2 of polyethylene polymer can be produced. Since the Young's modulus of a polymeric substance depends to a large extent on the measurement method, in this specification, the Young's modulus is determined to be 0.1 by a dead-loading creep test.
It is defined as the measured modulus at 21°C when % strain (strdin) is applied for 10 seconds. This test method is described in Gupta and Ward: Journal of Macromolecular Science and Physics, B1, 373 (1967). It can be seen that the method of the invention results in polymer molecules that are substantially perfectly linearly arranged upon plastic deformation. This molecular orientation is often uniaxial, but by applying appropriate stretching, a biaxially oriented polymer can also be obtained. Substantially perfect orientation can be determined by physical measurements such as X-ray diffraction analysis and nuclear magnetic resonance analysis. According to the method of the invention, a polyethylene material having a Young's modulus of 5×10 10 N/m 2 or more is obtained. The theoretical Young's modulus of polyethylene is 24×10 10 N/m 2
It can be seen that the polymers of the present invention are very close to this value. The polymeric material according to the invention is manufactured in a monolithic structure. The present invention will be explained below with reference to Examples. Example 1 High-density polyethylene (described later) was heated to 190°C with a diameter of 0.1
Melt-spun through a cm die, diameter 0.06~0.07cm
An isotropic filament is obtained. The filament is wound onto a 5.5 cm diameter cylinder rotating at 2.3 rpm. The cooling rate of the polymer is set at 5°C per minute and the structure formed when the polymer temperature reaches 115°C is maintained by rapid cooling. length 3
A ~4cm sample was tested using an Instron tensile tester.
Stretch at 72°C for 30-45 seconds at a crosshead speed of 20 cm/min. The stretching ratio is determined based on the change in the cross section of the filament. Two types of polymers selected from commercially available BP high-density polyethylene are used as samples. One is 075-60 grade, melt flow index 8.0, n: 14450, w: 69100 when measured at a temperature of 190°C and a load of 2.14 kg. Others are Rigidex 9, melt flow index 0.9, n: 6060, w: 126600
It is. Measure Young's modulus for 10 seconds at room temperature (21°C). The 075-60 grade has a narrow molecular weight distribution, that is, w/n=4.8, and a stretched product with a stretching ratio of 20 and a Young's modulus of 4.0×10 10 N/m 2 can be obtained. On the other hand, Rigidex 9 has a wide molecular weight distribution, that is, a high w value of Mw/n=20.9, and as a result, a stretched product having a low Young's modulus can be obtained. Continuous filaments of the materials described above can be stretched on a stretching frame to give similar results. Example 2 By compression molding high-density polyethylene pellets between two copper plates at 160°C,
Obtain a 0.07cm thick sheet. Remove this sheet from the press and slowly press it at a rate of 7 to 9 degrees Celsius per minute.
Cool to 100°C (measured on the surface of the copper plate) and then quench in cold water. A rectangular sample with a length of 2 cm and a width of 0.5 cm was tested using an Instron tensile tester.
Stretch for 70-90 seconds at a crosshead speed of 10 cm/min. The stretching ratio is 0.2 on the surface of the sample before stretching.
Or make marks at 0.1 cm intervals and measure accordingly. Two grades of commercially available BP high-density polyethylene were used as samples. Rigidex 50 has a melt flow index of 5.5, n: 6180, w: 101450, and 140
−60 grade has a melt flow index of 12,
n: 13350, w: 67800. Rigidex 50
The maximum draw ratio for the 140-60 grade is determined to be 30 and 37-38 for the 140-60 grade. The Young's modulus of representative samples was measured at room temperature for 10 seconds, and the results are shown in the table below.
【表】
次の実施例3〜5は、得られる最大延伸比は至
適密度のとき生じ、至適密度は熱処理条件の函数
であることを示すものである。
実施例 3
高密度ポリエチレン(リジデツクス25、ビーピ
ー・リミテツドの製品、w:98800,n:
12950を厚さ0.5mmの二枚の銅板の間で160℃にお
いて圧縮成形してフイルムを作る。該プレートを
プレスから取りはずし、生綿で厚くくるみ、熱電
対で測定しつゝ毎分5℃の割合でポリマーを冷却
する。120℃に達したとき該プレート120℃に維持
したグリセリン浴に入れ、0(浴に入れない)〜
10分間保持する。フイルムの密度は密度カラムを
用いて測定する。フイルムのダンベル状試料をイ
ンストロン引張試験機を用いて75℃で60秒間、ク
ロスヘツド速度毎分10cmの条件のもとに延伸す
る。延伸前の試料に0.2または0.1cmの間隔で印を
つけ、延伸後の試料の長さの増加分にもとづいて
延伸比を決定する。表−2は120℃における保持
時間が密度と最大延伸比に及ぼす影響を示すもの
である。
実施例 4
プレートをプレスから取り脱してからすみやか
にグリセリン浴に浸漬し、ポリマーを毎分40℃の
速度で160℃から120℃に冷却する以外は実施例3
と同様に処理する。密度の延伸比に及ぼす効果を
表−2に示す。
実施例 5
ポリマーをアルミ箔にはさみ、その全体を銅板
にはさむ。ポリマーとアルミ箔とをグリセリン浴
に入れる直前に銅板のみを除去する以外は実施例
3と同様に処理する。冷却速度は毎分400℃であ
る。120℃における保持時間が、密度と最大延伸
比に及びす効果を表−2に示す。TABLE The following Examples 3 to 5 demonstrate that the maximum draw ratio obtainable occurs at the optimum density, and that the optimum density is a function of the heat treatment conditions. Example 3 High-density polyethylene (Rigidex 25, a product of BP Limited, w: 98800, n:
A film is made by compression molding 12950 at 160℃ between two 0.5mm thick copper plates. The plate is removed from the press, wrapped thickly in raw cotton, and the polymer is cooled at a rate of 5° C. per minute as measured by a thermocouple. When the temperature reaches 120 °C, place the plate in a glycerin bath maintained at 120 °C and incubate from 0 (do not enter the bath).
Hold for 10 minutes. The density of the film is measured using a density column. A dumbbell-shaped sample of the film is stretched using an Instron tensile tester at 75° C. for 60 seconds at a crosshead speed of 10 cm/min. Marks are placed on the sample before stretching at intervals of 0.2 or 0.1 cm, and the stretching ratio is determined based on the increase in length of the sample after stretching. Table 2 shows the influence of holding time at 120°C on density and maximum stretching ratio. Example 4 Example 3 except that the plate was removed from the press and immediately immersed in a glycerin bath and the polymer was cooled from 160°C to 120°C at a rate of 40°C per minute.
Process in the same way as . Table 2 shows the effect of density on drawing ratio. Example 5 A polymer is sandwiched between aluminum foils, and the whole is sandwiched between copper plates. Processing is carried out in the same manner as in Example 3, except that only the copper plate is removed immediately before placing the polymer and aluminum foil in the glycerin bath. The cooling rate is 400℃ per minute. Table 2 shows the effect of holding time at 120°C on density and maximum drawing ratio.
【表】【table】
【表】
高密度ポリエチレン(リジデツクス140−60、
ビー・ピー・リミテツドの製品、w:67800、
Mn:13350)を180℃で0.9mmのオリフイスを有
する押出口から押し出し、得られたフイラメント
を巻き取り前に120℃に維持したグリセリン浴を
通過させる。押出口の下の浴の位置と浴中におけ
るフイラメントの保持時間を変化させる。浴に入
るフイラメントの温度は約135℃である。実施例
3に記載したのと同様の条件でフイラメントを延
伸する。紡糸と延伸に関する条件および延伸フイ
ラメントの性質を表−3に示す。なお、モジユラ
スはグプタとワードがジヤーナル・オブ・マクロ
モレキユラー・サイエンス・アンド・フイジクス
B1,373(1967)に記載したデツド・ロード・ク
リープ試験により21℃で測定したものである。[Table] High-density polyethylene (Rigidex 140-60,
BP Limited products, w: 67800,
Mn: 13350) is extruded at 180° C. through an extrusion port with a 0.9 mm orifice and the resulting filament is passed through a glycerin bath maintained at 120° C. before winding. The position of the bath below the extrusion port and the retention time of the filament in the bath are varied. The temperature of the filament entering the bath is approximately 135°C. The filament is drawn under conditions similar to those described in Example 3. Table 3 shows the conditions for spinning and drawing and the properties of the drawn filament. In addition, the modulus is owned by Gupta and Ward in the Journal of Macromolecular Science and Physics.
B1, 373 (1967), measured at 21°C using the dead load creep test.
【表】
実施例6の紡糸フイラメントを切断して偏光顕
微鏡で観察すると全体にわたつて均一に分布した
規則正しい配向領域がみられる。この領域は球晶
成長における初期束を示すものである。
実施例 7
紡糸フイラメントを毎分150cmの速度で巻取り、
浴温を60〜125℃で変化させる以外は実施例6と
同様に処理する。浴に入る際のフイラメントの温
度は赤外ピロメーターで測定する。紡糸フイラメ
ントの性質を表−4に示す。
実施例 8
高密度ポリエチレン(リジデツクス140−60)
を単繊維に紡糸し、実施例6と同様の装置を用い
て冷却する。採用条件は次の通りである。
押出量 0.3g/分
押出温度 180℃
巻き取り速度 5フイート/分
紡糸口から冷却距離 7.5cm
冷却温度 120℃
冷却長さ 50cm
得られた延伸糸を130℃に維持したピン上の延
伸フレームで延伸比23.8、延伸速度1フイート/
分で連続的に延伸する。得られた延伸フイラメン
トは強度6.7g.p.d tex、切断伸度2.9%、クリープ
モジユラス450×108N/m2である。[Table] When the spun filament of Example 6 was cut and observed under a polarizing microscope, regularly oriented regions uniformly distributed throughout the filament were observed. This region represents the initial flux in spherulite growth. Example 7 The spun filament was wound at a speed of 150 cm per minute,
The process is carried out in the same manner as in Example 6 except that the bath temperature is varied from 60 to 125°C. The temperature of the filament upon entering the bath is measured with an infrared pyrometer. The properties of the spun filament are shown in Table 4. Example 8 High density polyethylene (Rigidex 140-60)
is spun into single fibers and cooled using the same apparatus as in Example 6. The employment conditions are as follows. Extrusion rate 0.3 g/min Extrusion temperature 180°C Winding speed 5 feet/min Cooling distance from spinneret 7.5 cm Cooling temperature 120°C Cooling length 50 cm The obtained drawn yarn was drawn with a drawing frame on pins maintained at 130°C. Ratio 23.8, drawing speed 1 ft/
Stretch continuously in minutes. The drawn filament obtained has a strength of 6.7 gpd tex, an elongation at break of 2.9%, and a creep modulus of 450×10 8 N/m 2 .
【表】【table】
【表】
実施例 9
リジデツクス50と140−60グレードの試料を温
度160℃で金属プレートにはさみ、圧縮成型後、
毎分0.8℃以下で非直線的冷却速度で室温まで冷
却する。長さ2cm、巾0.5cmのダンベル状サンプ
ルを75℃でインストロン試験機で延伸する。試験
条件と結果を表−5に示す。
同一の初期結晶化度を有する試料に対する延伸
挙動上の顕著な差は分子量分布の広がりに関係し
ており、従つて非結晶相中の分子の分子量にも関
係している。
本実施例の方法で調製したリジデツクス50の等
方性試料の光学顕微鏡写真には規則的な配向領域
がみられるが、140−60の等方性試料では延伸前
に明瞭な球晶組織がみられる。[Table] Example 9 Rigidex 50 and 140-60 grade samples were sandwiched between metal plates at a temperature of 160℃, and after compression molding,
Cool to room temperature at a non-linear cooling rate of no more than 0.8°C per minute. A dumbbell-shaped sample with a length of 2 cm and a width of 0.5 cm is stretched using an Instron testing machine at 75°C. The test conditions and results are shown in Table-5. The significant difference in stretching behavior for samples with the same initial crystallinity is related to the broadening of the molecular weight distribution and therefore also to the molecular weight of the molecules in the amorphous phase. The optical micrograph of the isotropic sample of Rigidex 50 prepared by the method of this example shows regular orientation regions, but the isotropic sample of 140-60 shows a clear spherulite structure before stretching. It will be done.
【表】
実施例 10
リジデツクス50,140−60グレードBXP10(
n :168000、w:93800)およびリジデツク
ス9の試料を金属板にはさみ、160℃で圧縮成型
し、次いで室温まで水冷する。長さ2cm、巾0.5
cmのダンベル状試料を75℃で時間を変えてインス
トロン引張試験機で延伸することにより高い延伸
比が得られる。試験条件と結果を表−6に示す。[Table] Example 10 Rigidex 50, 140-60 grade BXP10 (
Samples of Rigidex 9 (n: 168000, w: 93800) were sandwiched between metal plates, compression molded at 160°C, and then cooled with water to room temperature. Length 2cm, width 0.5
A high stretching ratio can be obtained by stretching a cm dumbbell-shaped sample at 75°C for different times using an Instron tensile tester. The test conditions and results are shown in Table 6.
【表】
実施例 A
高密度ポリエチレン(ユニホス・ケミアト・エ
イ・ビー社製ユニホスDMDS2912:Mw=224000
およびMn=24000)を直径0.8mmの単一オリフイ
スを有する紡糸口金(spinneret)を通して235℃
で押出し、フイラメントを得、これを110℃に維
持したグリセリン浴を通過させ毎分5mの速度で
巻き取つた。紡糸口金と浴表面間の距離は約10cm
であり、浴への浸漬時間は7.5秒であつた。
この方法で製造した等方性フイラメントを次い
で120℃のグリセリン浴を通して通常の2本ロー
ル延伸フレームで延伸した、供給ロールと延伸ロ
ールの速度比は30:1であり、延伸ロールの速度
は毎分48mであつた。初期および最終断面から計
算した延伸単繊維の延伸比も30であつた。
室温ヤング率をグプタおよびワードの方法(J.
Macromol・Sci.Phys.BI,373(1967))によつて
測定し、強力(tenacity)および破断伸度
(extention to break)を毎分50%の伸長速度
(strain rate)でインストロンテンシル・テスタ
ーで測定した。この試料の性質を添附した表に
示す。
実施例 B
試料Aの紡績フイラメントの一部を延伸ロー
ル速度毎分56m、延伸比35とする以外同じ条件で
延伸した。この試料の物理特性を試料Aと同様
の方法で測定した、結果を表に示す。
実施例 C
試料Aの紡績モノフイラメントの一部を延伸
Aと同じ延伸フレーム上で延伸比30に延伸し
た。但し温度は120℃のグリセリン浴の通過距離
を短縮し、延伸ロール速度を毎分25mとした。こ
の試料の物理的性質を延伸試料Aと同様の方法
で測定した、その結果を表に示す。
実施例
高密度ポリエチレン(ビー・ピー.ケミカル社
製BP240:Mw=26500、Mn=26000およびメル
ト・フロー・インデツクス(BS105C法)0.15)
を本発明方法に従つて処理した。
ゲージ寸法(gauge dimention)2cm×0.5cm
のダンベル状試料を銅プレート間で160℃で圧縮
成形した0.8mm厚のシートから切り取り、次いで
室温の水で急冷した。延伸を一定のクロスヘツド
速度毎分10cm、温度75℃でインストロン、テンシ
ル・テスト機で行なつた。得られた延伸比はもと
の試料表面上に0.1cm離れてしるしたインキマー
クの距離を測定することにより決定した。
初期モジユラスをグプタとワードの方法(J.
macromol.Sci.BI,373(1967))で測定した。結
果を表に示す。
実施例
室温の水で冷却する前に圧縮成形シート110℃
に冷却する以外、実施例の方法を繰り返した。
この試料の初期モジユラスと延伸比を表に示
す。
実施例
高密度ポリエチレン(イー・アイ・デユポン社
製アラトン7050:Mw=60000およびMn=22000)
を275℃でマルチフイラメント・ヤーンとして押
出し、毎分120mで巻き取つた。
この方法で製造した等方性ヤーンを次いで加熱
プレート上にて3段階延伸工程で、最終延伸ロー
ル速度毎分157m、総合延伸比45に延伸した。
歪みレベル(strain level)0.1%での室温初期
モジユラスをグプタおよびワードの方法(J.
Macromol.sci.Phys.BI373(1967))を用い、強力
および破断伸度を毎分50%の伸長速度でインスト
ロン・テンシル・テスター上で測定した。この試
料の物理的性質を表に示す。
実施例
高密度ポリエチレン(イー・アイ・デイポン社
製アラトン7050:Mw=60000およびMn=22000)
をマルチフイラメント・ヤーンとして220℃で押
し出し、毎分52mで巻き取つた。
この方法で製造した等方性ヤーンを110℃のグ
リセリン浴を通して通常の2本ロール延伸フレー
ム上で延伸した。供給ロールと延伸ロールの速度
比は25であり、延伸ロール速度は毎分80mであつ
た。
歪みレベル0.1%での室温初期モジユラスをグ
プタとワードの方法(J.Macromol.Sci.Phys.
BI373(1967))を用い、強力をインストロン・テ
ンシル・テスターを用い伸長速度毎分50%で測定
した。この試料の物理的性質を表に示す。[Table] Example A High-density polyethylene (Uniphos DMDS2912 manufactured by Unihos Chemiat AB: Mw = 224000
and Mn=24000) at 235°C through a spinneret with a single orifice of 0.8 mm diameter.
The filament was extruded to obtain a filament, which was passed through a glycerin bath maintained at 110°C and wound up at a speed of 5 m/min. The distance between the spinneret and bath surface is approximately 10cm
The immersion time in the bath was 7.5 seconds. The isotropic filament produced in this way was then drawn in a conventional two-roll drawing frame through a glycerin bath at 120°C, the speed ratio of the feed roll and the drawing roll was 30:1, and the speed of the drawing roll was per minute. It was 48m. The drawing ratio of the drawn single fiber calculated from the initial and final cross sections was also 30. Room temperature Young's modulus is determined by the method of Gupta and Ward (J.
Macromol Sci. Phys. BI, 373 (1967)). Measured with a tester. The properties of this sample are shown in the attached table. Example B A portion of the spun filament of Sample A was drawn under the same conditions except that the drawing roll speed was 56 m/min and the draw ratio was 35. The physical properties of this sample were measured in the same manner as Sample A, and the results are shown in the table. Example C A portion of the spun monofilament of Sample A was drawn on the same drawing frame as Stretch A to a draw ratio of 30. However, the temperature was 120°C, the passing distance of the glycerin bath was shortened, and the stretching roll speed was 25 m/min. The physical properties of this sample were measured in the same manner as stretched sample A, and the results are shown in the table. Example High-density polyethylene (BP240 manufactured by BP Chemical Co., Ltd.: Mw = 26500, Mn = 26000 and melt flow index (BS105C method) 0.15)
was treated according to the method of the invention. Gauge dimension: 2cm x 0.5cm
dumbbell-shaped specimens were cut from 0.8 mm thick sheets compression molded at 160 °C between copper plates and then quenched in room temperature water. Stretching was carried out on an Instron Tencil test machine at a constant crosshead speed of 10 cm per minute and a temperature of 75°C. The resulting stretch ratio was determined by measuring the distance of ink marks made 0.1 cm apart on the original sample surface. The initial modulus is determined by the method of Gupta and Ward (J.
macromol.Sci.BI, 373 (1967)). The results are shown in the table. Example Compression molded sheet 110°C before cooling with room temperature water
The method of the example was repeated, except cooling to .
The initial modulus and stretch ratio of this sample are shown in the table. Example High-density polyethylene (Araton 7050 manufactured by EI Dupont: Mw = 60000 and Mn = 22000)
was extruded as a multifilament yarn at 275°C and wound at 120 m/min. The isotropic yarn produced in this manner was then drawn in a three-step drawing process on a heated plate at a final draw roll speed of 157 m/min and a total draw ratio of 45. The room temperature initial modulus at a strain level of 0.1% was determined by the method of Gupta and Ward (J.
Tenacity and elongation at break were measured on an Instron Tencil tester using Macromol.sci.Phys.BI373 (1967)) at an elongation rate of 50% per minute. The physical properties of this sample are shown in the table. Example High-density polyethylene (Araton 7050 manufactured by E.I. Dapon: Mw = 60000 and Mn = 22000)
was extruded as a multifilament yarn at 220°C and wound at 52 m/min. The isotropic yarn produced in this manner was drawn on a conventional two-roll drawing frame through a glycerin bath at 110°C. The speed ratio between the supply roll and the stretch roll was 25, and the stretch roll speed was 80 m/min. The room temperature initial modulus at a strain level of 0.1% was determined by the method of Gupta and Ward (J.Macromol.Sci.Phys.
BI373 (1967)), and the strength was measured using an Instron tensile tester at an elongation rate of 50% per minute. The physical properties of this sample are shown in the table.
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
第1a図〜第1d図はそれぞれ本発明方法(1)〜
(4)によつて製造されたポリエチレンの結晶構造の
顕微鏡写真である。
Figures 1a to 1d show the method (1) of the present invention, respectively.
(4) This is a micrograph of the crystal structure of polyethylene produced by method (4).
Claims (1)
分子量)の高密度ポリエチレン、 (2) 重量平均分子量(w)<200000および数平
均分子量(n)〓20000の高密度ポリエチレ
ン、および (3) 重量平均分子量(w)<200000、数平均分
子量(n)<20000およびn〓104のとき、
Mw/n>8であり、n<104のとき
w/n>20である高密度ポリエチレンから成
る群から選ばれた、0.1%の歪みを10秒間かけ
て室温で測定したときのヤング率が3×
1010N/m2より大きい高モジユラス配向高密度
ポリエチレン延伸成形体。[Claims] 1 (1) High-density polyethylene with a weight average molecular weight of 200,000〓w<300000 (w: weight average molecular weight), (2) High density with a weight average molecular weight (w)<200000 and a number average molecular weight (n)〓20000 polyethylene, and (3) when weight average molecular weight (w) < 200000, number average molecular weight (n) < 20000 and n = 10 4 ,
Selected from the group consisting of high-density polyethylene with Mw/n > 8 and w/n > 20 when n < 10 4 , the Young's modulus when measured at room temperature under a strain of 0.1% for 10 seconds is 3×
10 High modulus oriented high density polyethylene stretched molded body having a value greater than 10 N/m 2 .
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